重庆巫溪至开州高速公路隧道机械化配套施工工艺

王树辉

（贵州省公路工程集团有限公司，贵阳 5500088）

1 工程概况

新建巫溪至开州高速公路WYKTJC2项目，起讫里程为K99+780~K118+369.408，路线全长约18.602 km，其中，横梁子隧道为小净距短隧道，桩号及长度为左幅ZK103+626~ZK104+032、长406 m，最大埋深118 m；右幅K103+618~K104+026、长408 m，最大埋深121 m。隧道施工配置超前地质预报系统、凿岩台车、混凝土机械喷射手和湿喷机、衬砌台车等设备，形成超前预报、开挖出碴和支护衬砌全套设备机械化作业线。

2 机械配套原则

1）以隧道施工需求为导向，合理配置施工机械。隧道工程建设规模大，在全断面施工中常采用大型机械设备；部分隧道采取分部开挖的作业方法，各作业区的空间有限，宜优先考虑小规格的机械设备，以便适应狭窄的场地。因此，需根据现场施工环境合理适配机械设备，确保机械设备可稳定运行。

2）隧道工程的机械设备类型丰富，在保证单台设备稳定运行的基础上，还需兼顾各类机械设备的协同运行情况，根据施工流程建立机械设备在工序上的联系，共同为隧道工程施工助力。

3）隧道工程机械设备的配套还需考虑到经济效益的要求，充分发挥机械设备的性能优势，高效推进工程施工进程[1-2]。加强施工期间的机械设备调度管理，缩短机械设备的闲置时间，以此提高工程资源的利用水平。

3 机械化配套快速施工技术

3.1 超前地质预报

本工程应用卡萨C6型钻机，可根据现场作业条件灵活更换动力头，机械设备的可操纵性和灵活性突出。钻机的自适应能力强，根据钻孔出水情况动态调节钻进压力和速度，建立适应于最新施工环境的参数组合方案。此外，还可预测前方约50 m的地质条件，供作业人员分析，更有效地规划后续的工作。

3.2 开挖作业

本项目Ⅳ级围岩施工采用上下台阶法开挖，如图1、图2所示。开挖前采用超前小导管超前支护，先开挖上断面，及时进行上断面初期支护，然后左右错开开挖下断面，施作下断面初期支护。各部位的开挖与支护沿隧道纵向错开，平行推进。具体步骤如下：（1）上半断面拱部超前小导管注浆预支护；（2）上半断面开挖；（3）上半断面拱部初期支护（立钢拱架、挂钢筋网、安装锚杆、喷射混凝土）；（4）下半断面左侧开挖；（5）下半断面左侧初期支护（立钢拱架、挂钢筋网、安装锚杆、喷射混凝土）；（6）半断面右侧开挖；（7）下半断面右侧初期支护（立钢拱架、挂钢筋网、安装锚杆、喷射混凝土）；（8）全断面模筑二次衬砌混凝土。

开挖技术措施：（1）隧道开挖法采用机械开挖，各分步平行作业，平行施作初期支护，各分部初期支护紧密衔接，及时封闭成环。（2）隧道开挖后应及时施作初期支护，以控制围岩变形，按设计预留变形量施工，且根据监控量测结果适当调整。（3）仰拱紧跟下断面施作，及时闭合构成稳固的支护体系。尤其是仰拱步长不宜留得过长，要以仰拱紧跟为原则，及时施作仰拱。（4）仰拱距离掌子面距离不得大于50 m，二次衬砌距离掌子面不得大于90 m。（5）拱部超前支护完成后开挖上断面，断面长度控制在15~20 m，以确保开挖、支护质量及施工安全。当上断面初期支护强度达到70%后，才可开挖隧道下断面，开挖后及时施作初期支护。（6）开挖循环进尺按2~2.5 m控制，在施工过程中可根据围岩变化情况适当调整。下断面左、右侧开挖进尺应根据初期支护钢架间距确定，每次上台阶长度不得大于15 m，下台阶落底长度不大于2榀钢拱的长度，应一次落底，并尽快封闭成环。（7）仰拱开挖前必须完成钢架锁脚锚杆，锁脚锚杆应取30°方向，且每循环进尺不得大于3 m。

3.3 初支作业

3.3.1 钢架制作

施工技术交底后，熟悉设计参数，分段制作，对制件进行试弯、试拼装。工字钢制作时，用冷弯机制弯，以钢板夹面焊接的方法连接各段工字钢；取1∶1胎模用于制作钢筋格栅钢架，针对各钢筋节点做焊接处理；用钢板钻孔机在钢板上打孔，不得采用气割冲孔（常用钢板钻孔机）。单段之间，钢架连接采用手持电动扳手。钢架制作安装应满足相关规范要求。

纵向钢架之间连接用钢筋连接，拱脚放在预制块或牢固的基础上，拱脚标高不足时，不得采用块石、碎石砌垫，应用钢板或强度等级不低于C20的混凝土预制块支垫。钢架应紧贴岩面，与岩面之间的间隙不得用片石回填，宜采取喷射混凝土的处理方法。定期检查钢架，判断是否有局部弯曲、破裂等异常状况，若有，及时采取加固、换新等处理措施。拆除作业按照“先顶后拆”的流程有序进行，防止围岩松散坍塌。

3.3.2 钢筋网

受喷面缺乏平整性时，钢筋网片起伏铺设，与受喷面的间隙控制在20~30 mm。为确保混凝土浇筑时钢筋网片始终保持稳定，将其与锚杆连接。钢筋搭接长度不小于30d（d为钢筋直径）。

3.3.3 锚杆（管）支护

（1）原材料：对锚杆钢材、药卷、水泥浆进行试验，标识清楚、分类堆放，防水防潮防锈蚀。（2）锚杆制作安装：在硬质岩石地质条件中钻孔时，设备采用锚杆机，拱腰和侧墙两处的钻孔设备选用气腿式凿岩机。锚杆孔长度不得短于设计长度的95%，锚杆应尽量垂直于开挖轮廓线，为各锚杆适配垫板，锚杆设置到位后安排初喷混凝土施工。现场有Ⅴ级、Ⅳ级围岩时，布设在该处的锚杆的尾端应有足够的预留长度，以便经过复喷混凝土后锚杆垫板可安装到位。（3）中空注浆锚杆：在锚杆上开设排气孔，配套锚头、垫板、螺母等配件；砂浆初凝后，及时拧紧螺母，同时混凝土与垫板密切贴合。注浆采取压力注浆的方法，起始压力约为0.3 MPa，后续适度增加注浆压力，待排气孔流出浆液后，结束灌浆作业。（4）注浆小导管：系统锚管用于隧道穿越滑坡地段，规格为单根长4 m，管外径42 mm，壁厚4 mm的热轧无缝钢管制成，管上打φ6 mm的注浆孔。注浆要求同“超前小导管”。

3.4 仰拱作业

1）开挖。仰拱开挖采取机械为主、人工为辅的方案，同时保证开挖效率和开挖精度。隧道底部两隅与侧墙连接部位平顺开挖，以免由于应力集中而导致稳定性下降；清理堆积在边墙钢架底部的杂物，使其与仰拱钢架稳定连接；开挖现场存在软弱膨胀性围岩时，向地面与两隅打入锚杆，或采取其他有效的加固措施，然后再开挖。

2）初期支护的设置。仰拱开挖后，按照“施作混凝土垫层→打设锚杆→配套仰拱钢架→喷射混凝土→模筑混凝土”的流程有序施工，建成初期支护结构。仰拱底部未设置初支时，先施工混凝土垫层，建立可供仰拱钢架安装、立模等环节施工的作业面。仰拱钢支撑与边墙拱架脚部焊接于一体，保持结构完整和受力稳定。

3）二衬钢筋的施工。仰拱两侧二衬边墙的预埋钢筋有适量的伸出长度，以便与二衬环向钢筋焊接。绑扎仰拱二衬钢筋时，严格控制每层钢筋的间距和双层钢筋的层距，层距可通过焊接定位钢筋的方法确定；二衬两侧边墙分布预埋钢筋，根据隧道断面设计的弧度调整该类钢筋的弯曲弧度，保持一致。

3.5 喷射混凝土施工

隧道设计初期支护为C25喷射混凝土，采用初期支护喷浆机进行施工，喷射混凝土工序必须紧跟前一工序，不得拖延。

1）隧道开挖后，安排混凝土喷射，用于稳固开挖面，防止岩体松弛。

2）以分段、分片的方法有序喷射混凝土，各作业区段纵向长度≤6 m，全程遵循自下而上的顺序。下次爆破距喷射混凝土的时间间隔至少达到4 h。根据总喷射厚度适当分层，前一层混凝土终凝后间隔1 h以上再喷射下一层时，用高压风清理受喷面的杂物，使新喷射的混凝土与之稳定结合。

3）混凝土随拌随用，以防混凝土在拌和后长时间未使用而发生初凝。

4）根据设计厚度和喷射部位的特点灵活控制一次喷射厚度，初喷厚度40~60 mm，复喷环节拱顶、边墙两处的一次喷射厚度分别≤100 mm、150 mm。喷射到位的首层混凝土应具有平整性，凹坑必须得到有效的填补。局部有严重凹坑时，以锚杆吊模喷混凝土的方法处理。

5）喷嘴与岩面保持垂直，距离岩面0.6~1.2 m，喷射料束与受喷面呈5°~15°夹角时最为合适，此时的喷射效果较佳。喷射机工作压力稳定在0.1~0.15 MPa，喷射料束呈螺旋形运动。钢架与壁面存在空隙，向该部位以喷射混凝土的方法填充。从两侧拱脚向上对称喷射混凝土，控制好混凝土的用量，有效覆盖钢架，并使背面得到有效的喷射处理。拱脚基础部位的混凝土应具有密实性，禁止出现局部悬空的情况。

6）喷射的混凝土终凝2 h后，以喷水的方法养护至少7 d，现场气温在5℃以内时，为防止混凝土冻伤，禁止采用喷水养护的方法。

4 隧道机械化配套施工的优越性

对施工人员而言，机械化配套初期支护施工工艺比传统施工工艺更具有安全性，员工的劳动强度得到了大幅度降低，施工人员的数量至少减少2/3以上，而施工效率比传统施工工艺提高了2/3以上，在隧道超欠挖控制和喷射回弹控制方面（即成本控制）、能源需求方面和安全环保方面，机械化配套施工工艺具有传统工艺不可比拟的优越性，在施工安全方面采用喷射机械手进行湿喷作业时，作业人员通过该喷射机械手配备的遥控机械手实现了对喷射机械手的遥控，从而可以使机械手伸缩到掌子面进行施工，而作业人员和机器可停留在已完成初期支护的位置进行混喷作业，以此避免了在传统施工工艺中，人员与混喷机械均要在暴露于尚未支护的围岩下进行作业，对机械设备和施工人员存在的安全隐患；采用喷射机械手，几乎没有粉尘，作业人员作业环境良好。

5 结语

综上所述，针对现场地质条件复杂、工程量较大的隧道工程，按因地制宜的原则配套机械设备，协同运行，营造安全的施工环境，实际施工质量和效率均达到要求。在各类隧道工程中，建议施工单位根据现场作业条件选择适宜的机械设备，综合考虑设备的运行稳定性、经济高效性、生态环保性多项特征，组合应用，使机械设备联合作业，顺利推进隧道工程的建设进程。